(57)【要約】【課題】放出および安定性の問題に対処する多点燃料噴射器が提供される。【解決手段】ガスタービンエンジンまたは他の種類の燃焼室に使用するための改良された多点噴射器１０に関する。多点燃料噴射器１０は、同心の環列１４、１６、１８、２０などの少なくとも２つの列に配置された複数の燃料ノズル１２を有する。また、噴射器１０は、これらの列の各列内のノズル１２に対する燃料流量を独立に制御する異なる燃料回路２２を有する。ノズル１２のそれぞれは、流体通路４７と、この流体通路４７内にありこの流体通路４７内に旋回流を生成する１つまたは複数のスワーラベーン４４とを含む。さらに、燃料／空気混合物をガスタービンエンジンの燃焼室段内に噴射する方法が、記載される。少なくとも１つの領域が、全体の燃焼室火炎を安定させるのに十分に高温の火炎を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの燃焼室段に使用するための多点燃料噴射器であって、
少なくとも二列に配置された複数のノズルと、
前記列の各列内のノズルへの燃料の流れを独立に制御する手段と、
を備え、
前記ノズルのそれぞれは、流体通路と、この流体通路内で旋回流を生成する手段とを含むことを特徴とする多点燃料噴射器。
【請求項２】
前記旋回流生成手段は、ベーン手段または角度付き噴射器を含むことを特徴とする請求項１記載の多点燃料噴射器。
【請求項３】
前記独立燃料流れ制御手段は、前記列の各列内のノズルのための異なる燃料回路を含むことを特徴とする請求項１記載の多点燃料噴射器。
【請求項４】
前記列は、少なくとも２つの同心の環列を含むことを特徴とする請求項１記載の多点燃料噴射器。
【請求項５】
前記ベーン手段は、流体通路内に複数のスワーラベーンを含むことを特徴とする請求項１記載の多点燃料噴射器。
【請求項６】
前記列は、ノズルの外側環列と、ノズルの少なくとも１つの内側環列とを含み、外側環列内の各ノズル内の各スワーラベーンは、各内側環列内の各ノズル内の各スワーラベーンに対するスワール角度とは異なるスワーラベーンを有することを特徴とする請求項５記載の多点燃料噴射器。
【請求項７】
前記外側環列内の各スワーラベーンに対する前記スワール角度は、前記各内側環列内の各スワーラベーンに対する前記スワールベーン角度より小さいことを特徴とする請求項６記載の多点燃料噴射器。
【請求項８】
前記外側環列は、この外側環列により生成されるＣＯおよびＵＨＣが少なくなるのに十分に高い火炎温度ではあるが、過剰のＮＯｘが生成されるほどは高くない火炎温度に、保たれることを特徴とする請求項６記載の多点燃料噴射器。
【請求項９】
前記少なくとも１つの内側環列内のノズルは、外側環列が燃料を供給される燃料／空気比より小さな燃料／空気比で燃料が供給されて、出力低下を達成するか、または、より低い周囲温度に適合することを特徴とする請求項６記載の多点燃料噴射器。
【請求項１０】
各前記列内の各ノズルは、出口を有し、このノズル出口は、共通平面内で終わって、前記列の隣接する列内のノズルの間の相互作用および火炎安定性を促進することを特徴とする請求項１記載の多点燃料噴射器。
【請求項１１】
前記多点燃料噴射器は、各前記ノズルに付随しかつこの各ノズルに燃料および空気の混合物を供給する混合機をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の多点燃料噴射器。
【請求項１２】
ガスタービンエンジンの燃焼室段に使用するための多点燃料噴射器であって、
少なくとも二列に配置された複数のノズルと、
各前記列内のノズルへの燃料および空気の流れを独立に制御する手段と、
を備え、
前記列の各列内の前記ノズルのそれぞれは、入口および出口を有し、
前記列の各列内の前記ノズル出口は、共通平面内に配置されて、隣接する列内のノズルの間の相互作用および火炎安定性を促進することを特徴とする多点燃料噴射器。
【請求項１３】
前記多点燃料噴射器は、燃料および空気を混合するように乱流を生成する手段を各前記ノズル内にさらに備え、この乱流生成手段は、複数のスワーラベーンを含むことを特徴とする請求項１２記載の多点燃料噴射器。
【請求項１４】
前記独立燃料空気制御手段は、前記列のうちの最も外側の列内のノズルに第１の燃料／空気比を提供し、かつ、前記列のうちの内側の列内のノズルに第２の燃料／空気比を提供する、手段を含み、前記第１の燃料／空気比は、全体の火炎を安定させるのに十分に大きいことを特徴とする請求項１２記載の多点燃料噴射器。
【請求項１５】
前記列のうちの最も外側の列内のノズルは、第１の火炎温度に保たれ、前記列のうちの内側の列内のノズルは、第２の火炎温度に保たれ、前記第１の火炎温度は、全体の火炎を安定させるのに十分に高く保たれることを特徴とする請求項１２記載の多点燃料噴射器。
【請求項１６】
前記列のそれぞれは、領域を画成し、前記噴射器は、第２の領域への流れの関数として第１の領域への流れを制御する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の多点燃料噴射器。
【請求項１７】
ガスタービンエンジンの燃焼室段内へ燃料／空気混合物を噴射する方法であって、
複数列に配置されたノズルを有する噴射器を設け、
独立した流れ回路を介して前記列の各列内の各ノズルに燃料を供給し、それによって、前記列のうちの第１の列内のノズルが第１の流れ回路から燃料を受け取り、前記列のうちの第２の列内のノズルが第２の流れ回路から燃料を受け取るように、燃料／空気混合物を前記燃焼室段内に噴射し、
前記列のうちの最も外側の列内のノズルを、安定なかつより汚染の少ない火炎を維持するのに十分に高い火炎温度に維持する、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記方法は、前記各ノズルに供給される前記燃料と空気を混合し、この空気と燃料の混合を向上させるように前記ノズルのそれぞれの中に乱流を生成することをさらに含み、前記乱流を生成することは、前記ノズルのそれぞれの中に複数のスワーラベーンを設け、このスワーラベーンの隣接するスワーラベーンの間の通路を通して前記燃料／空気混合物を流すこと、を含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記噴射することは、前記ノズルのそれぞれに燃料の流れを常に供給することを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記方法は、前記ノズルの出口が共通平面内に位置して前記列の隣接する列内の前記ノズルの間の相互作用および火炎安定性を向上させるように、前記列の各列内の前記ノズルを配置することをさらに含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
前記設けることは、３つの環列に配置されたノズルを有する多点噴射器を設けることを含み、前記維持することは、前記環列のうちの最も外側の環列を第１の火炎温度に維持し、前記環列のうちの中央の環列を前記第１の火炎温度より低い第２の火炎温度に維持し、前記環列のうちの内側の環列を前記第１の火炎温度および前記第２の火炎温度の少なくとも１つより高い第３の火炎温度に維持することを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼室または他の種類の燃焼室に使用するための多点燃料噴射器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンに対する特に工業用途での最大の挑戦の一つは、広い範囲の出力設定および周囲条件における良好な放出特性および燃焼安定性を有することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
１００％出力でＮＯｘ、ＣＯ、およびＵＨＣの放出の少ない工業用ガスタービンがあり、その出力を、エンジンへの燃料の量を低減することにより一般に行うように、低減すると、燃焼室内の燃料／空気混合物は一般により希薄になる。より希薄な燃料／空気混合物によって、火炎温度が低下するとともに、より低温の燃焼室壁、または燃焼室壁上の冷却フィルムにより相対的に容易に消失し得る火炎が生成する。消失効果によって、過剰なＣＯおよびＵＨＣ、さらには、高い動圧が生じる。それらがさらに酸化されない場合は、ＣＯおよびＵＨＣは、汚染物質になる。希薄すぎる燃料／空気混合物に付随する他の問題は、それによって不安定な燃焼が生じることである。逆に、部分的な出力条件でＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、および音響の少ないガスタービンがあり、その出力を、エンジンへの燃料の量を増加することにより一般に行うように、増加すると、燃焼室内の燃料／空気混合物は一般により濃厚になる。より濃厚な燃料／空気混合物によって、火炎温度が上昇するとともに、より多くのＮＯｘを生成し得る火炎が生成する。類似の状態が、異なる周囲温度で生じ得る。高い周囲温度でＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、および音響の少ないガスタービンがあり、周囲温度がより低くなると、火炎温度は低下し、多くのＣＯ、ＵＨＣ、および不安定な火炎が生じ得る。あるいは、低い周囲温度でＮＯｘ、ＣＯ、ＵＨＣ、および音響の少ないガスタービンがあり、周囲温度がより高くなると、火炎温度は上昇し、過剰のＮＯｘが生じ得る。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
従って、本発明の目的は、放出および安定性の問題に対処する多点燃料噴射器を提供することである。
【０００５】
本発明のさらなる目的は、広い出力レベルおよび周囲条件において過剰のＣＯおよびＵＨＣの生成を避けながらタービンエンジンまたは他の用途の燃焼室内に燃料／空気混合物を噴射する改善された方法を提供することである。
【０００６】
上述した目的は、本発明によって達成される。
【０００７】
本発明に従うと、新規な多点噴射器が提供される。多点噴射器は、一般に、少なくとも二列に配置された複数のノズルと、ノズルの各列への燃料の流れを独立に制御する手段とを備える。各列内のノズルのそれぞれは、流体通路を画成する外側本体と、流体通路内で旋回流を生成するベーン手段とを含む。
【０００８】
さらに、本発明に従うと、燃料／空気混合物をガスタービンエンジンの燃焼室内に噴射する方法が提供される。この方法は、一般に、少なくとも二列に配置されたノズルを有する噴射器を設け；第１の量の燃料を列のうちの最も外側の列内の各ノズルに供給しかつ第２の量の燃料を列のうちの第２の列内の各ノズルに供給することによって、燃料／空気混合物を燃焼室段内に噴射し；列のうちの最も外側の列を、安定でより汚染の少ない火炎を維持するのに十分に高い火炎温度に維持する、ことを含む。
【０００９】
本発明の低放出で安定な燃焼のための多点段の方策についての他の詳細、さらには、本発明に付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明、および同様の参照番号が同様の要素を示している付随する図面に開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図面をここで参照すると、図１は、本発明に従う多点噴射器１０の第１の実施態様を例示する。多点噴射器１０は、ガスタービンエンジンの燃焼室段内に燃料−空気混合物を噴射するノズル１２を有する。ノズル１２は、複数の列に配置されている。図１の実施態様では、ノズル１２は、４つの同心の環列１４、１６、１８および２０に配置されており、任意のノズルが中心に配置される。ノズル列は、同心の環列で示されているとはいえ、理解されるように、ノズル１２は、限定されるものではないが、正方形、長方形、六角形、または平行線などのさまざまな形態で配置され得る。
【００１１】
本発明に従うと、環列１４、１６、１８および２０さらには任意の中心ノズルのそれぞれに対する燃料流量を独立に制御する手段が提供される。燃料流量制御手段は、各環列１４、１６、１８および２０さらには任意の中心ノズルに対する異なる燃料回路２２を備える。各燃料回路２２はそれぞれ、環列１４、１６、１８および２０さらには任意の中心ノズルのそれぞれ１つに提供される燃料流量の制御を可能とする当業技術内で知られるどのような適切な弁および導管構成も含み得る。
【００１２】
出力低減が必要とされるかまたは周囲温度が低下したときは、全てのノズル１２への燃料を同じ程度に低減する代わりに、燃料の流れは、各環列１４、１６、１８および２０さらには任意の中心ノズルに対して、異なったように低減される。最も外側の環列１４は、安定した火炎が保たれ、それによって、燃焼室から生成されるＣＯおよびＵＨＣ、および動圧が低くなるのに十分に高い火炎温度ではあるが、環列１４によって過剰のＮＯｘが生成されるほどは高くない火炎温度に、保たれることができる。残りの環列１６、１８および２０さらには任意の中心ノズルは、好ましくは、より小さな燃料／空気比で燃料が供給される。その結果、より低い火炎温度が、これらの環列で生じて、より大きな出力低減を達成するか、または、より低い周囲温度に適合する。所望の場合、より良好な火炎安定性が必要とされ、かつ、ＮＯｘ限界および出力設定／周囲温度が許すならば、残りの環列のいくつかまたは全てに、より高い燃料／空気比で燃料が供給できる。ノズル環列１６、１８および２０は、燃焼室壁２４のより低温の壁、または冷却フィルムと相互作用しないので、これらの環列内のノズル１２からの火炎は、より消失しないものとなり、従って、過剰のＣＯおよびＵＨＣが避けられる。このようにして、ＣＯおよびＵＨＣの放出は、エンジンのより低い出力設定においてまたはより低い周囲温度において、低減される。環列１４内のノズル１２は、出力が低減されるかまたは周囲温度が低下するときに、十分に高い火炎温度に保たれるので、これらのノズル１２は、全てのノズル１２に対する全体の燃焼過程を安定させかつ希薄フレームアウト限界（ｌｅａｎ  ｂｌｏｗｏｕｔ  ｌｉｍｉｔ）を延ばす火炎安定化装置として機能する。
【００１３】
所望ならば、各環列１４、１６、１８および２０は、領域を画成でき、噴射器は、第２の領域への燃料の流れの関数として１つの領域への燃料の流れを制御する手段を備えることができる。
【００１４】
噴射器１０および上に概略を述べた方法は、さまざまな種類の燃焼室（カン型またはアンニュラ型）に使用できる。図５に示すアンニュラ型燃焼器では、少なくとも１つの燃焼室壁２４の近くの領域の火炎温度が、他のいくつかを希薄にして出力を低下させるかまたはより低い周囲温度に適合しながら、火炎を安定させるのに十分に高く保たれる。一般に、アンニュラ型燃焼器は、ノズル環列１６、１８および２０などの複数のノズル環列を有するものである。火炎を安定させるように高温に保たれる領域は、好ましくは、壁のすぐ隣りの領域である。いくつかの場合には、これは、ノズルの最も外側の環列になり得る。他の場合には、これは、ノズルの最も内側の環列になり得る。ある状況では、外側領域を高温に、中間領域を低温に、さらに、内側領域を高温に保つのが好ましくなり得る。
【００１５】
図１は、４つの環列１４、１６、１８および２０の使用を例示しているけれども、ノズルの環列の数は、任意とすることができる。ノズルの異なる環列に、異なるように燃料が供給されて、最も良好な放出よび安定性が達成される。例えば、図２および図３は、ノズル１２の３つの同心の環列３０、３２および３４を有する噴射器１０’の実施態様を例示する。ノズルの環列３０、３２および３４には、最も外側の環列３０および最も内側の環列３４が、中央の環列３２より高温に維持されるように、燃料が供給できる。先に述べたように、ノズル１２の環列３０、３２および３４のそれぞれは、独立した燃料回路２２Ａ、２２Ｂおよび２２Ｃそれぞれを介して燃料が供給できる。
【００１６】
本発明の噴射器の実施態様では、中心本体部分３６が、所望ならば閉にされ得るかまたは燃料または燃料／空気混合物を噴射するのに使用でき、点火器３８が、中心から外れて配置され得る。
【００１７】
図１および図２の実施態様に使用される各ノズル１２は、図４に示す構成などの構成を有することができる。特に、各ノズル１２は、円筒形または他の形状のケーシングなどの外側本体４０と、円筒形、円錐形、長方形およびその他などであって中心にまたは偏心して置かれるかあるいは存在しないことさえもある内側本体４２と、内側本体４２とケーシング４０の内壁４６の間に延びる１つまたは複数のスワーラベーン４４とを有することができる。スワーラベーン４４は、外側本体４０の内壁と内側本体４２とにより形成された流体通路４７内に旋回流を生成するのに使用される。通路４７内での旋回流の生成によって、ＮＯｘを低下させる燃料と空気の混合と、火炎の安定化とが促進されることが見出された。各ノズル１２のためのスワーラベーン４４は、同一の方向または別々の方向とすることができる。
【００１８】
図１および図２の実施態様に使用される各ノズル１２は、図６に示す構成などの他の構成を有することができる。図６の実施態様では、燃料および空気が、接線方向入口６０および６２それぞれを介してスワールカップ５８の外壁から接線方向に噴射されて、旋回運動が生成される。噴射方向は、スワールカップ５８の軸に垂直になる必要はない。１つまたは複数の燃料入口が、１つまたは複数の空気噴射の上流または下流で、あるいは空気噴射の間で、燃料を噴射できる。さらに、軸方向の空気または燃料あるいはこれらの両方が、付加し得る。
【００１９】
旋回は、各ノズル内で使用できるけれども、本発明は、旋回なしでも機能するものであり、従って、ベーン４４は、所望ならば省略できる。
【００２０】
さらに、各ノズル１２には、燃料／空気混合物が供給される。所望ならば、燃料噴射ユニット４９が、予混合火炎のためにノズル１２の入口５１に隣接して、あるいは拡散火炎のために出口５２に隣接して配置され得る。燃料噴射ユニット４９は、燃料を燃料噴射ユニット４９の内部に供給する１つまたは複数の燃料入口５０を有し得る。また、燃料噴射ユニットは、空気流内に吊り下げられたものとすることができる。燃料入口５０は、ベーン４４の上流または下流、ベーン４４の領域内、ベーン４４内、外側本体４０の壁から、または内側本体４２から、とすることができる。燃料入口５０には、燃料が、燃料回路２２Ａ、２２Ｂおよび２２Ｃの１つから供給され得る。燃料噴射ユニット４９およびノズル１２は、別々の要素とすることができるけれども、単一の一体ユニットとすることもできる。さらに、拡散または予混合パイロットが、内側本体４２に付加し得る。
【００２１】
留意されるように、軸方向スワーラ構造では、スワールベーン角度は、スワーラ内、１つの領域内、または異なる領域の間で、同じにする必要はない。さらに、全てのノズルの出口が、１つの平面内にある必要はない。
【００２２】
また、壁２４近くの高温領域では、全体の火炎が安定であるかぎり、いくつかのスワーラを、低温に保つことができ、他のいくつかは、高温に保たれる。
【００２３】
液体燃料は、前もって気化させること、あるいは、ノズル１２内に直接噴射することができる。図４の軸方向スワーラ構造における液体燃料の直接噴射では、液体燃料は、内側本体４２、外側本体４０、ベーンから、あるいは、別々の１つの噴射ユニットまたは複数の噴射ユニットから、噴射できる。図６に示す接線方向流入構造では、液体燃料は、スワールカップ５８の底部、外壁、入口６０、６２から、あるいは、別々の１つの噴射ユニットまたは複数の噴射ユニットから、噴射できる。
【００２４】
また、図１および図２の実施態様の列の各列内のノズル１２は、共通平面５４内で終わる出口５２を有するのが好ましいが、これは、必須ではない。このような交互になっていないノズル配置を設けることで、１つの列内のノズル１２は、この配置とノズル１２から流出する乱流とによって、その列内または隣接する列のノズル１２内の燃料／空気混合物の燃焼を助け得ることが見出された。これは、火炎安定性を促進する見地から非常に望ましい。このような助けは、ノズル出口が、交互になっている構成では、なお可能であるとはいえ、より効果的でなくなる。
【００２５】
本発明の噴射器１０を用いると、より広い出力範囲および周囲条件で、ＮＯｘ、ＣＯおよびＵＨＣの生成を少量にすることが達成できる。例えば、図２の噴射器１０’を用いると、より広い出力または周囲範囲で、ＮＯｘのレベルを７．０ｐｐｍ未満とすること、および、ＣＯのレベルおよびＵＨＣのレベルを両方とも１０ｐｐｍ未満とすること、が可能となる。
【００２６】
本発明の噴射器は、特定の列または環列への燃料を止めるものではない。燃料は、それぞれの列または環列内の各ノズルに常に供給される。従って、本発明の噴射器では、使用可能な領域を消失させる無効領域について心配する必要はない。その結果、環状バッフルおよび軸方向隔離の少なくとも一方ともを有する必要がない。本発明の噴射器では、ノズル１２のさまざまな列または環列が、互いに相互作用するように設計される。
【００２７】
図７は、５つの燃料領域７０、７２、７４、７６、７８を有する並列燃焼器を例示しており、各燃料領域は、少なくとも１つの領域内で火炎温度に段をつけるために独立して制御され、好ましくは燃焼器壁２４近くの領域が、全体の火炎を安定させるのに十分に高く保たれる。
【００２８】
本発明に従って、上述した目的、手段、および利点を十分満足する低放出および安定燃焼のための多点段噴射器および噴射方法が提供されたことは明らかである。本発明は、その具体的な実施態様の文脈で説明したが、他の代替物、変更物、および変形物は、上述した説明を読んだ当業者には明らかになるであろう。従って、添付の請求項の広い範囲の中に含まれるようにこれらの代替物、変更物、および変形物を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に従う多点噴射器の第１の実施態様を例示する概略図である。
【図２】本発明に従う多点噴射器の第２の実施態様を例示する概略図である。
【図３】図２の３−３線に沿って取った断面図である。
【図４】本発明の多点噴射器に使用されるノズルの拡大図である。
【図５】本発明に従う噴射器を有するアンニュラ型燃焼器を例示する概略図である。
【図６】本発明の噴射器に使用できる接線方向流入スワール装置を例示する概略図である。
【図７】５つの燃料領域を有する並列燃焼器を例示する概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０、１０’…多点噴射器
１２…ノズル
１４、１６、１８、２０、３０、３２、３４…環列
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ…燃料回路
２４…燃焼室壁
４４…スワーラベーン
４７…流体通路
５４…共通平面
５８…スワールカップ
６０、６２…接線方向入口
７０、７２、７４、７６、７８…燃料領域
【図１】
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【図２】
2005147530.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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